摘要：介紹了當前輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的設計方法，提出了基于MPXY8300智能傳感器的輪胎壓力監(jiān)測模塊和基于MC33596接收機的接收模塊的設計方案，并給出了硬件電路以及軟件程序流程。該系統(tǒng)可隨時測定每個輪胎內部的實際溫度和瞬壓，確定故障輪胎并實時發(fā)出警示，有效避免爆胎事故的發(fā)生。
關鍵詞：輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)；MPXY8300；MC33596

1 概述
    輪胎在欠壓狀態(tài)下工作會導致輪胎溫度升高，從而造成輪胎的損壞；在欠壓情況下會增加燃油消耗，甚至會影響到汽車的可操控性和剎車性能。汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)主要用于汽車行駛時對輪胎氣壓進行實時自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，可有效地延長輪胎壽命，節(jié)約燃油，提高汽車的安全性。就TPMS系統(tǒng)構造而言，其采集的溫度、壓力數(shù)據(jù)需要通過無線方式進行發(fā)送和接收，而且該收發(fā)電路要安裝在輪胎里。這就必須要求其組成電路的芯片具有耐高溫、低功耗、小體積等特點。
    目前，主要有英飛凌、Freescale以及通用公司3種流行的TPMS方案，均以自身的傳感器為核心進行開發(fā)。英飛凌TPMS傳感主要有SPl2、SPl2T、SP30等。Freescale TPMS系統(tǒng)主要由MPXY80x0傳感器與MC68HC908RF2微處理器組成。通用TPMS傳感器采用NPXI和NPXII。NPXI集成了硅壓力傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、8位RISC微處理器、大容量存儲器以及一個LF輸入級，所有的測量信號都以數(shù)字信號輸出，便于客戶直接調用；NPXII除了具有NPX的所有功能外，還集成了一個加速度傳感器。此類TPMS設計方案如圖1所示。

上述方案的共同缺陷在于輪胎監(jiān)測模塊的集成度不夠高，即使是通用TPMS方案，也需在NPX模塊外圍再連接無線射頻發(fā)射模塊，不可避免地增大了系統(tǒng)功耗和模塊體積。本文基于智能傳感器MPXY8300和MC33596接收機，提出了一種高集成度TPMS系統(tǒng)的設計方法。

2 TPMS硬件電路設計
    基于智能傳感器MPXY8300的高集成度TPMS系統(tǒng)，主要由TPMS傳感器、微控制器和無線射頻接收模塊幾個部分組成。TPMS系統(tǒng)設計中較關鍵的一點是數(shù)據(jù)的傳輸部分。整個數(shù)據(jù)傳輸部分由兩部分組成：駕駛室中的無線接收部分和輪胎中的無線發(fā)射部分。這兩部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性、穩(wěn)定性是系統(tǒng)優(yōu)良性能的重要體現(xiàn)。
2．1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路設計
    數(shù)據(jù)采集與發(fā)射電路以Freescale公司的高智能傳感器MPXY8300為核心，如圖2所示。MPXY8300系列集成了Freescale公司的低功耗S08核，內含512字節(jié)RAM和16 KBFlash(其中8 KB為固件，即一些底層驅動、測試程序和標定數(shù)據(jù)等)；同時，集成了溫度傳感器和單通道的LF低頻輸入功能。MPXY8300系列的RF發(fā)射支持315MHz和434 MHz兩種載波頻率，并可通過寄存器配置成ASK或FSK調制方式。它還集成了電荷泵功能，當電池電壓較低時，可提高RF發(fā)射部分供電電壓，從而使其仍能達到一定的RF發(fā)射強度。

    MPXY8300 TPMS是一款將壓力傳感器、8位MCU、RF收發(fā)器和雙軸(XZ)加速器全部集成到一個封裝的產(chǎn)品。MPXY8300TPMS具有如下功能：
    ①精確的壓力測量。低功率表面微機械加工的電容性壓力傳感器的壓力單元(P-cell)能夠測量100～800kPa的壓力范圍，還為卡車輪胎(100～1400 kPa)提供高壓范圍壓力單元，并為低成本應用提供可選的低精度校準。電容性表面微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力感應技術比壓阻式批量MEMS在功率使用方面更具有優(yōu)勢。飛思卡爾電容性表面微機電系統(tǒng)提供O．14μA電流(3 V，30 kHz)，壓阻式大規(guī)模MEMS則提供600～10 000μA。前者每讀數(shù)O．9 nAs(nano-amp-second)最低電荷，后者是60～1000 nAs。
    ②完全集成。完全集成的MPXY8300TPMS模塊為每個獨立的輪胎(包括備胎)提供獨立的壓力測量。每個模塊集成一個基于315／434 MHz PLL的RF收發(fā)器，即使車胎旋轉或更換后仍能保持連續(xù)通信。集成的運動傳感器可以進行編程，以傳輸特定速度(輪胎旋轉)的測量數(shù)據(jù)，包括沒有旋轉的輪胎數(shù)據(jù)。
    ③可延長電池使用時間。有些法規(guī)要求TPMS解決方案的電池使用壽命為10年，MPXY8300結合一系列低功率技術，使用最少的電池資源確保長時間的穩(wěn)定運行。驅動低功率喚醒定時器、定期復位驅動器的低頻率震動以及TPMS的特定功率管理技術，可以延長電池使用時間，實現(xiàn)更便利、更經(jīng)濟的運行。
2．2 無線接收接口電路設計
    TPMS系統(tǒng)的接收模塊主要由天線、射頻接收電路、主控芯片MCU以及鍵盤、顯示器組成，用于接收各發(fā)射模塊傳送的輪胎溫度與壓力數(shù)據(jù)，顯示各輪胎的ID識別碼和測量數(shù)據(jù)，并在異常情況發(fā)生時聲光報警。由于接收模塊安裝在汽車車廂內，故對器件選用的各方面要求不高，工業(yè)級即可。
    MC33596是Motorola公司的高溫集成UHF超外差無線電接收模塊，其接口電路如圖3所示。MC33596采用LQFP-24封裝，工作頻率在300～450 MHz頻段，電壓范圍為4．5～5．5 V；接收靈敏度高達-103 dBm。芯片最大的特點是帶有一串行外設接口SPI。通過SPI，它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通信交換信息。SPI接口使用4條線；串行時鐘線(SCLK)、主機輸入／從機輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線CONFB。

    主控芯片選用NXP公司的無線接收ARM7微控制器LPC2292，通過SPI接口與MC33596相連。LPC2292內含多個32位定時器、4路10位ADC、2路CAN以及多達9路外部中斷等，特別適用于汽車、工業(yè)控制應用、醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護總線；內部集成的2路CAN控制器符合CAN規(guī)范2．0BISOll 898-1；可訪問32位的寄存器和RAM；每個總線的數(shù)據(jù)速率為1 MB／s；全局驗收濾波器可識別所有總線的11位和29位Rx標識符；驗收濾波器為
選擇的標準標識符提供有FulICAN-style自動接收功能。
2．3 CAN總線接口電路設計
    本文設計的TPMS系統(tǒng)具有CAN總線功能，可以與汽車儀表盤CAN通信口相連，直接在儀表盤顯示屏上顯示各輪胎的胎壓、溫度等數(shù)據(jù)。CAN正常工作需要具備CAN控制器以及CAN總線驅動器，前者可實現(xiàn)網(wǎng)絡層次結構中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，后者則提供CAN控制器與物理總線之間的接口以及對CAN總線的差動發(fā)送和接收功能。
    LPC2292微控制器包含兩個CAN控制器，單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1 Mb／s，具有32位寄存器和RAM訪問，帶有全局濾波器和驗收濾波器。本系統(tǒng)采用雙路帶隔離CAN收發(fā)器CTM8251D，至少可連接110個節(jié)點。通過擴展CAN總線接口，使得串行通信方式的選擇更加多樣化。當車內儀表也具有CAN總線接口時，它們可以直接利用此接口與記錄儀通信。CAN總線接口電路如圖4所示。

3 軟件設計
3．1 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊程序設計
    輪胎監(jiān)測模塊以數(shù)據(jù)包(幀)的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。當輪胎模塊中的MPXY8300決定要發(fā)送數(shù)據(jù)(由傳感器采集到的溫度、壓力數(shù)據(jù))時，通過發(fā)送數(shù)據(jù)幀的前導位喚醒接收模塊，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)幀。其數(shù)據(jù)幀格式如下：

    發(fā)射程序流程如圖5所示。監(jiān)測模塊被喚醒后首先進行電源檢測。若壓力值P1與存儲在ROM里設定的壓力閾值P2的差值超過設定的壓差，則說明輪胎的壓力超限，需要報警。此時為增強接收機接收數(shù)據(jù)的可靠性，連續(xù)發(fā)送16幀。

3．2 數(shù)據(jù)接收模塊程序設計
    接通電源后接收機自身初始化，配置發(fā)射機相關參數(shù)，指示燈閃亮，模塊進入工作狀態(tài)。在接收到一個數(shù)據(jù)幀之后，通過校驗和檢驗數(shù)據(jù)是否有誤，并根據(jù)收到數(shù)據(jù)的設備ID點亮相應的指示燈以示報警，也可實現(xiàn)語音報警。同時，通過CAN總線接口將數(shù)據(jù)幀傳至儀表盤，完成信息的顯示報警。接收程序流程如圖6所示。

結語
    本文通過對Freescale公司高集成度的MPXY8300芯片、接收芯片MC33596以及微控制器芯片LPC2292等器件的應用，得出一套較為完整的TPMS系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)在功耗、體積、收發(fā)距離與可靠性以及安全性方面均具有明顯的優(yōu)勢。